固相微萃取技术在毒品分析中的应用
康明星, 苏文渊, 宋爱英*
甘肃政法大学公安技术学院,兰州 730070

* 通讯作者简介:宋爱英,男,甘肃兰州人,博士,教授,研究方向为法医毒物分析。E-mail: 821694435@qq.com

第一作者简介:康明星,男,甘肃陇西人,硕士在读,研究方向为微量物证方向。E-mail: 648156143@qq.com

摘要

固相微萃取技术(solid phase microextraction, SPME)主要是将少量吸附材料通过物理或化学的方法固定于纤维(通常是不锈钢丝或光纤)表面制备成萃取纤维,再将萃取纤维暴露于样品体系中,直接进行吸附、富集、脱附和进样的一种适用实验室和现场样品的新型前处理技术。由于SPME及其联用技术具有快速、简便、灵敏等优点,其已成为对生物检材毒品定性定量分析的最佳方法之一,尤其对新型涂层的开发及使用,大大提高了毒品检测的灵敏度,自动化采样技术的应用则提高了分析方法的准确性及精密度。此外,随着该技术的发展,可检测的生物检材也由血液、尿液等常规检材逐步向汗液、玻璃体液等非常规检材延伸,增加了毒品分析检材的多样性。在今后该领域的发展过程中,SPME技术还需在制作工艺、涂层材料表面结构和物化性质的设计等方面进行深入研究,进而提升该方法的可靠性和实用性。本文综述了近年来SPME技术在毒品分析中的研究进展。

关键词: 固相表面涂渍的高聚物固定相构成,如微萃取; 毒品分析; 生物检材
中图分类号:DF795.1 文献标志码:A 文章编号:1008-3650(2020)05-0524-04
Applications of Solid-phase Microextraction in Drug Analysis
KANG Mingxing, SU Wenyuan, SONG Aiying*
College of Public Security Technology, Gansu University of Political Science and Law, Lanzhou 730070, China
Abstract

Solid phase microextraction (SPME) bases on the absorbent materials (also called as coating substances) that are chemically and/or physically fixed onto certain bare fibers (generally stainless-steel wire or optical fiber) to become the absorbable matrices. During extraction process, the fibers were exposed into the sample solution (or liquid) for direct adsorption. This technique is suitable for both the laboratory and field sampling pretreatment to integrate the enrichment, desorption and injection into one single step. SPME, plus its combination with other technological choices, has become one best method for qualitative and quantitative analysis of drugs in biological samples, demonstrating the advantages of rapidity, simplicity and sensitivity. With the development and application of innovative coating absorbents, SPME is greatly improved of its sensitivity for drug detection, showing excellence in the application of automatic sampling technology to boost the accuracy and precision of the relevant analytical methods. Through the review of research progresses and applications in drug analysis from recent years, SPME was revealed of its development and evolution into the capability of determining the drugs from not only the conventional samples of blood and urine but also the unconventional ones of sweat, vitreous fluid or others, successfully having itself adapted to more kinds of sample sources. In the future, SPME will be certainly further progressed on the aspects of fiber fabrication, design of surface structure and chemo-physical properties of the coating substances so that its reliability and practicability could be even more greatly enhanced.

Key words: solid phase microextraction (SPME); drug analysis; biological sample

近年来, 毒品滥用在世界范围内迅速蔓延, 据《2018年中国毒品形势报告》[1]显示:“ 中国现有吸毒人数占全国人口总数的0.18%, 首次出现下降” 。可见中国治理毒品滥用在逐年取得成效, 但是合成毒品滥用却仍然呈现扩散趋势, 滥用毒品的种类和结构也发生着新变化。因此, 建立成本低、高效、简便的毒品分析方法对毒品滥用案件的侦破有着重要意义[2]

生物检材(尿液、血液、唾液、毛发等)不仅基质复杂, 而且目标分析物易与基质中的蛋白质、酸、碱等相互作用, 极大地限制了被分析物与吸附剂之间的亲和能力[3, 4], 因此, 在上机分析前通常需要对此类样品进行适当的前处理。相对于以液-液萃取为代表的传统的样品前处理技术, 固相微萃取技术(solid phase microextraction, SPME)具有选择性强、操作简便、分析效率高等优点。根据固相微萃取方式不同, 固相微萃取技术主要可以分为纤维针式、毛细管式、搅拌式及悬浮颗粒式萃取等。在以上技术中, 由于纤维针式SPME具有制作简单、萃取过程快速简便、可以与多种分析仪器兼容等优点, 最为常见, 已在毒品分析领域得以广泛应用。本文就SPME技术近年来在毒品分析中的应用进行综述。

1 SPME技术的特点

SPME是分析物与固相微萃取涂层之间相互吸附从而达到被分离富集的一种样品预处理方法[5]。市售SPME产品其核心部分是萃取纤维涂层, 萃取纤维涂层主要由熔合石英纤维表面涂渍的高聚物固定相构成, 如聚二甲基硅氧烷( Polydimethylsiloxane, PDMS)、聚丙烯酸酯(Polyacrylic ester, PA)等[6], 纤维SPME萃取方法有顶空萃取(HS-SPME)和直接萃取(DI-SPME)两种方式, 前者适用于对复杂样品中的挥发性和半挥发性目标物的萃取, 后者则主要用于对非挥发性目标物的萃取。现代化SPME还具有样品消耗量少、无需萃取溶剂、适合现场分析等优势, 并且集采样、萃取、富集、进样于一体, 简化了样品预处理的过程[7, 8], 提高了样品预处理的效率。在SPME的操作过程中, 由于样品与涂层直接作用, 涂层能够有效分离干扰基质并将目标分析物富集, 且在很大程度上能够降低被侵略性或不可逆吸附基质组分的损伤, 并且多个样品可使用同一个萃取头进行分析, 使其分析成本大幅度下降。此外, 相较于毛细管内SPME, SPME操作简单, 所受限制条件较少, 随着对材质的逐步改进, 该方法进样次数增加, 目标分析物丰度稳定, 装置持久性更强。目前, SPME可以使用标准的自动采集器连续进行, 整个过程不仅缩短了分析时间, 而且比手工进样更加精确。因此该技术在毒品分析领域具有很好的应用前景。

2 SPME技术在毒品分析中的应用

目前, SPME已广泛应用于尿液、血液、唾液、毛发及其他生物检材中苯丙胺类、甲卡西酮类、可卡因及其衍生物、大麻、氯胺酮等滥用毒品及非法药物的检测[9]

2.1 尿液中毒品分析

尿液成分复杂且易受氧气作用而改变pH, 故在样品预处理前, 应收集24 h内排出的尿液并在-20 ℃储存, 有时为了降低样品基质的干扰, 还需对尿液用甲醇或纯水进行稀释。代勇等[10]运用顶空固相微萃取-气相色谱-质谱联用的方法(HS-SPME-GC-MS)检测了尿液中的甲卡西酮类毒品。在分析过程中, 他们首先将样品溶液的pH调至碱性, 以确保目标分析物呈游离态形式存在, 然后采用70 μ m乙烯二醇-二乙烯基苯共聚物(CW/DVB)萃取涂层在80 ℃下进行顶空萃取, 结合气相色谱分析仪对甲卡西酮和4-甲基甲卡西酮进行了检测。结果发现, 该方法最小检测限可达0.01 μ g/mL, 相对标准偏差均在11%以内。此外, 高凡钦等[11]利用65 μ m的PDMS涂层对尿样中甲基苯丙胺等14种常见毒品进行了顶空萃取, 为了提高分析方法的准确度, 他们选取3-苯基-1-丙胺和SKF525a作为内标物, 利用GC-MS分析仪进行分析。结果表明, 方法的检出限为0.2~4.6 ng/mL, 相对标准偏差为2.2%~9.7%。作者还将所开发方法应用于对实际样品的测定并取得了良好的结果。

2.2 血液中毒品分析

血液样品分析时易受血液收集管、溶血、新鲜血液处理操作等因素的影响, 因此在采集样品时应采取同一批次的采血管在受试者平静空腹状态下收集, 避免使用抗凝剂, 规范操作, 从而避免在样品前处理时血浆、血清的代谢物谱发生转移。另外, 在萃取之前, 需对血液样品进行预处理, 如加入硼砂缓冲液、三氯乙酸等, 从而降低样品其他基质对目标物的影响。Namera等[12]利用七氟丁酸酐作为衍生剂, 使用100 μ m的PDMS萃取, 采用HS-SPME/GC-MS的方法同时测定全血中芬氟拉明、安非他明和甲基苯丙胺, 其中, 标准曲线在0.01~1.0 mg/g显示较好的线性, 对芬氟拉明和甲基苯丙胺的检出限分别为5.0 和10 ng/g。Mariotti 等[13]采用10%的三氯乙酸对血浆进行脱蛋白处理, 再用氯甲酸丙酯(PRCL)对其进行碱化反应, 并利用中心复合设计(CCD)对实验中的变量进行了评估, 采用氯甲酸丙酯作为衍生化剂来减少其他基质对的损伤, 使用100 μ m的PDMS萃取对样品检材进行DI-SPME, 最后通过与GC-MS的联用同时测定了血浆中安非他明(AMP)、丙酸二乙酯(DIE)和芬太尼(FEN), 结果显示, 方法的相对标准偏差小于15%, 检测限分别为1.0(AMP)、1.5(DIE)和2.0 ng/mL(FEN)。建立该方法的最终目的是开发驾驶员使用药物自动监控系统, 为毒品的现场快速检测提供了新方法、新思路。刘俊亭等[14]将样品溶液pH调至碱性, 使用100 μ m PDMS萃取对目标物进行顶空萃取, 通过与GC-MS的联用, 建立了从血样中检测芬氟拉明等3种苯丙胺类衍生物的分析方法, 萃取时温度恒定。该方法的线性范围在0.01~5.0 μ g/g, 最低检测限为0.01 μ g/g, 苯丙胺(AP)、甲基苯丙胺(MA)及芬氟拉明(FA)的检出限分别为0.03、0.01、0.01 μ g/g。与液液萃取、固相萃取相比, 此方法更加简便、快捷, 可作为芬氟拉明及苯丙胺类毒品快速筛选的方法。

2.3 唾液中毒品分析

唾液样品具有采集方便且无创伤、相较于血液样品采集无需特殊训练、随时随地采集和能防止掺假或样本替代的优点, 所以唾液可作为法医和临床化学药物检测的替代样本。由于唾液中毒品的分析需要高效的预处理方法及灵敏的分析技术[15], 所以在我国关于SPME对唾液中毒品的分析研究相对较晚。根据世界卫生组织对滥用药物的分类, 烟碱也属于滥用药物。张凤梅等人[16]采用HS-SPME-GC-MS/MS技术对吸烟者唾液中游离的2, 3-联吡啶、可替宁、麦斯明等7种生物碱进行了定性定量分析, 他们在唾液样品中以喹啉为内标, 采用85 μ m聚丙烯酸酯(PA)萃取, 以顶空萃取方式对样品萃取, 利用GC-MS/MS分析, 得到方法的相对标准偏差为1.71%~4.52%, 定量限为0.000 7~0.090 0 μ g/mL, 检出限为0.000 2~0.030 0 μ g/mL。Lucas等[17]分别采用SPME、液-液萃取与GC-MS联用的方法, 对人唾液中美沙酮和2-亚乙基-3, 3-二苯基吡咯烷(EDDP)的含量进行了测定, 结果表明, 使用PDMS萃取的SPME方法效果显著, 且分析速率较之液-液萃取的方式更快, 其中, 前者方法唾液中的线性范围为0.05~2.0 μ g/mL, 美沙酮和EDDP的定量限分别为0.045、0.018 μ g/mL, 精密度在0.7%~4.3%之间。

2.4 毛发中毒品分析

滥用药物进入毛发的途径主要是在毛干形成过程中, 药物从汗腺、皮脂腺等分泌进入毛干。毛发分析可发挥其检测时限长这一独特的优势, 可作为血、尿等生物检材的补充, 甚至可成为提供证据的唯一手段。杨崇俊等[18]发展出一种从人的毛发中检测苯丙胺(AM)、甲基苯丙胺(MAM)、3, 4-亚甲二氧基苯丙胺(MDA)等苯丙胺类毒品的方法, 他们将100 μ m PDMS萃取纤维插入含有已处理完善毛发的顶空瓶中进行顶空水浴萃取, 再利用GC/MS分析。此方法最低检出限为0.5 ng/mg, 相对标准偏差为1.4%~6.8%。较之传统的SPME-GC技术, 该方法使用的样品量更少, 且已用于实际涉毒案件的鉴定中。Nadulski等[19]用丙酮对毛发中的大麻酚类毒品进行了萃取, 对萃取物进行衍生化后, 再用100 μ m PDMS萃取纤维对目标物进行顶空萃取, 通过与GC-MS联用, 建立了对毛发中3种大麻酚的分析方法, 该方法的检出限可达0.01~ 0.02 ng/mg, 四氢大麻酚(THC)、大麻二醇(CBD)、大麻酚(CBN)的最低检测限分别为0.037、0.038、0.048 ng/mg。Musshoff等[20]已将HS-SPME的方法运用于毛发中美沙酮、苯丙胺类、利多卡因和其他精神药物的检测分析中。

2.5 其他检材中毒品分析

汗液作为体表检材, 具有非侵入性采集、可重复采样及相较体内检材受干扰分子污染风险较低等优点, 因此在毒品分析中是一种较为理想的生物检材。Gentili等[21]先将收集的汗液盐酸水解, 随后将水解液置于盛有一定量K2CO3的小瓶中进行顶空萃取并衍生, 通过与GC/MS分析仪联用, 成功测定了汗液检材中的可卡因、四氢大麻酚类等滥用药物。结果表明, 该方法的检出限可达0.37~1.61 ng/mg, 但精密度较差, 仅为15.3%~19.2%。玻璃体液成分虽相对较少, 但死后液体交换率较低且不受濒死期改变的影响, 因此可作为死后尸体毒品毒物的良好检材。Narapanyakul等[22]运用HS-SPME/GC-MS的方法对40例死者玻璃体液中甲基苯丙胺的浓度进行了定量分析, 该小组采用PDMS作为萃取涂层, 得到在玻璃体液中线性范围(R2)达到了0.999 8, 检出限为25 ng/mL, 标准回收率在15%以内。

3 展望

近年来, SPME技术已被成功应用于生物检材中毒品的定性定量分析, 并取得了良好效果。除了传统的直接萃取和顶空萃取模式外, SPME技术还结合了液相微萃取、超声、真空辅助和电场促进等技术, 进一步提高了SPME的萃取性能和适用范围。但需要指出的是:1)纤维制作技术还不够成熟, 不同批次纤维的平行性较差, 因此要求使用单根纤维完成整个方法的开发与样品测定, 这使得测定过程风险性提高; 2)纤维与样品接触面积十分有限, 因此不仅要求待测样品具有很好的均一性, 而且要求萃取过程所有参数必须精确控制, 否则会造成分析方法的精密度降低; 3)能够用于商品化的萃取纤维种类有限, 且价格昂贵, 限制了该技术在日常检测工作中的广泛应用。综上所述, SPME技术还要在制作工艺、涂层材料表面结构和物化性质的设计等方面进行深入研究, 大力提升该方法的可靠性和实用性, 尽早将其开发为国家或行业标准方法来为社会和经济发展服务。

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